地下空间施工时内部损伤监测的计算机方法

地下洞室施工时围岩损伤场的动态监测对裂隙岩体的安全施工相当重要。利用多元分布参数拟合逼近理论建立损伤场的映射拟合函数反演法，以识别与监测围岩损伤的演化。将分布参数系统用若干正交函数族的乘积描述，通过量测的位移值反演分配系数以确定损伤的函数分布形式，还探讨了拟合项数对反演精度的影响问题以及时变反演与工况、竣工模型反演的比较分析。     

双江口水电站地下厂房区初始地应力场反演分析

初始地应力是地下工程围岩稳定分析与支护结构设计的重要计算参数。文中根据双江口水电站地下厂房区实测地应力资料,考虑自重与地质构造运动对初始地应力场形成的影响,采用多元回归法对厂区三维初始地应力进行多元回归反演。在回归反演的基础上,考虑埋深和山体地形对初始地应力场分布的影响,建立初始地应力拟合方法,得到厂区初始地应力函数与应力分布变化规律。回归拟合计算应力与实测应力在量值大小和分布方向上吻合,表明反演获得的地下厂区初始地应力场是合理可靠的,这为地下厂房洞室群施工开挖及长期稳定性分析提供重要计算依据。     

地下工程岩体参数场反演分析应用研究

 在施工过程中,由于开挖方式、爆破以及支护施作滞后等因素的影响,洞周岩体会有不同程度的“劣化”。一般而言,受开挖施工影响,离洞室表面越近的岩体劣化程度越严重;支护施作滞后时间越长岩体劣化程度越严重。因此,提出参数场的概念,将洞周围岩物理力学参数看作受初始地质状态、施工影响而随空间变化的非稳定参数场。采用三维弹塑性损伤有限元及位移反演分析方法,经敏感度分析确定恰当的待反演岩体参数,使用局部断面模型快速反演计算方法获得各监测断面区域岩体参数场,再通过插值方法得到三维整体模型参数场,适当修正后即可用于洞室后期开挖围岩变形及稳定预测。结合瀑布沟水电站地下厂房工程,建立有限元模型,代入监测数据,反演获得洞周围岩参数场,并将计算结果用于预报后续洞室开挖的围岩变形趋势,结果显示岩体计算预测反演参数与实际监测值符合较好。     

拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析

 拉西瓦水电站厂房规模巨大,围岩主要为脆硬花岗岩,爆破后围岩分区明显;同时厂房区域山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,且分布较复杂,对洞室稳定性不利。为了评判开挖后地下厂房围岩的稳定性及支护的长期安全性,以地下厂房分层开挖现场实测位移为基础,根据多点位移计实测的离洞壁不同深度位移的变化规律将厂房洞壁周边围岩分为松动区、过渡区和稳定区;然后采用每层开挖引起的增量实测位移与相应的反分析位移均方差作为目标函数,分层进行围岩力学参数反演分析,得到上、下游厂房不同的地应力参数及地下厂房在开挖每层时围岩的岩体力学参数。结合反演得到的这些地应力场与围岩力学参数,对后续开挖时厂房围岩稳定性进行评价与预测,提出拉西瓦地下厂房围岩稳定性判定标准。该标准为后续地下厂房监测变形控制提供依据,有效地指导厂房支护设计与开挖施工。     

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究

 以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。     

大断面小净距隧道水力耦合围岩稳定性数值模拟

以在建富水区大断面小净距公路隧道为工程依托,通过自主开发的弹塑性应力-渗流-损伤耦合有限元计算模型对水力耦合作用下大断面小净距隧道围岩稳定性进行计算。采用差异进化算法进行损伤参数反演,在所得反演参数的基础上,对不同净距下,所选开挖断面处围岩的塑性区分布、损伤场演化规律和不同注浆圈参数对隧道周边损伤值及洞内涌水量的影响规律进行计算结果分析。     

基于有限元模拟与神经网络的隧道反演分析研究

依据某隧道施工设计及现场施工建立线弹性的隧道有限元模型,描述围岩位移场的空间分布.分析了隧道埋深、围岩性质、衬砌厚度、开挖方法及空间效应对监测点位移的影响情况.在此基础上建立围岩力学参数的反演分析流程,并建立位移与围岩力学参数的神经网络关系,最后用工程实例来证明该反演方法的可行性和有效性.     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。     

均匀设计原理在地下工程位移反分析中的应用

以小湾水电站为背景，在试验、监测、前期分析结果的基础上，建立地质与施工的概化模型。以围岩基本力学参数和初始应力场为基本变量，按均匀设计方法进行计算方案的组合，采用考虑开挖卸荷效应的三维弹塑性有限元方法完成了地下硐室群开挖模拟，并应用多元线性回归模型进行了围岩基本力学参数和初始应力场的反演分析。应用反演计算所得围岩基本力学参数和初始应力场计算各监测点的开挖扰动位移增量，相应的计算值与实测值较为吻合，表明反演得到的力学参数和地应力场基本合理，均匀设计原理在地下工程位移反分析中具有较高的实用价值。     

大连地铁隧道监测数据分析及参数智能反演

差异进化算法(Differential Evolution)是一种新型的智能优化算法,对初始值无要求,收敛速度快,对非线性函数适应性强,具有并行运算特性,尤其适应于多变量复杂问题的寻优,将该算法与有限元理论相结合编制智能位移反分析程序。针对大连地铁隧道实际工程,对地表沉降、拱顶沉降和收敛位移进行监控量测,并对数据进行拟合和回归分析;利用智能位移反分析程序和监测数据完成参数反演,以解决围岩力学参数不准确的瓶颈,反演的参数与实际勘测的十分接近;根据反演参数进行有限元数值模拟的正分析,将数值模拟的结果与实际监测数据进行对比分析,对施工过程中围岩是否安全稳定具有重要的理论意义和实用价值。     

岩石统计损伤软化本构模型及其参数反演

基于岩石微元强度服从幂函数分布的假定提出了损伤变量的一种新形式,由此建立了一个可模拟岩石破裂全过程的统计损伤软化本构模型.该模型含两个待定参数.其中一个可利用岩石三轴试验曲线的峰值点确定;另一个则受到微元强度参数的影响.通过研究微元强度参数对于软化本构模型的影响,提出了合理选择微元强度形式的参数反演方法,由此可最终确定模型参数.计算实例表明该模型能够有效模拟岩石的应变软化特性,应用反演方法确定微元强度参数能够有效提高数值模拟精度.     

路堑边坡位移与失稳反分析应用与问题

反分析方法为岩体力学参数的获取提供了较为有效的途径,本文对岩体参数的反分析方法进行了一些研究,从动态设计和信息施工的角度出发,以现场量测信息为基础,建立了有限元位移反分析的方法,并把反分析与正分析结合来进行预测预报。本构模型是岩体参数反分析的一个重要方面,合适的模型可使参数确定变得容易。对具体边坡工程的实例,本文采用Duncan-Chang本构模型,以位移为反演依据,反分析了边坡模型中的粘聚力和内摩擦角两个参数,并把反演的参数带入正分析模型,计算下一阶段的位移,为工程的预测预报提供理论依据。     

基于强度折减法的边坡岩土体抗剪强度参数反演

鉴于传统位移优化反分析复杂的数学运算和迭代程序编制,提出了将强度折减法与位移优化反分析法相结合求解边坡岩土体抗剪强度参数。将双参数优化模型转变为单参数优化模型,通过折减系数将位移与抗剪强度参数联系起来,并结合有限元分析、数据拟合、最小二乘法优化,反演边坡岩土体折减系数。通过算例验证了所提方法的可靠性。结果表明:在合理选取初始值的条件下,通过该方法可以求得边坡岩土体抗剪强度参数;该方法不仅避免了复杂的数学计算和迭代程序的编制,还克服了双参数反演时二元线性或非线性回归引起的较大误差。     

Application of the orthogonal design method in geotechnical parameter back analysis for underground structures

The back analysis method has been widely used as an indirect method of determining geotechnical parameters based on field measurements. The number of parameters and their initial values greatly influence the reliability and efficiency of back analysis. Therefore, sensitivity analysis is often employed to select high sensitivity parameters that have more greater impact on measured back analysis values. The orthogonal design method was first utilized to select geotechnical parameters for back analysis. The optimized parameter values obtained from an orthogonal design table can be used as the initial back analysis values, so as to avoid optimisation algorithm searching in local parameter spaces. By introducing a penalty function to the objective function, back analysis of the geotechnical parameters is changed into an unconstrained optimisation problem, whereby the Nelder–Mead method can then be employed. To verify the feasibility of the proposed back analysis method, a case study was conducted to determine the rock mass parameters for the Houziyan underground powerhouse complex.     

巷道裂隙岩体的损伤参数辨识

基于位移反分析理论及几何损伤理论 ,对巷道裂隙岩体的损伤参数进行了辨识。根据岩体中裂隙组数的不同 ,对于含一组裂隙、两组裂隙及多组裂隙情况下损伤参数辨识可靠性问题进行了分析 ,给出了精确辨识的参数组合。针对初值选取对某些参数的辨识精度影响较大的特点 ,采用蒙特卡罗优化法进行初值的优选 ,计算结果显示 ,优选初值下的辨识可靠性有很大提高     

不确定性岩石力学参数的区间反分析

考虑量测信息的不确定性，将岩石力学参数视为未知但有界的区间变量，建立了非线隆岩石力学参数的区间反分析模型。运用带约束的优化技术查变容差法求解反演模型，得出了不确定性力学参数的区间范围，研究了不同的量测精度和反演参数个数对反分析结果的影响，结论合乎规律，为实际工程分析提供了有价值的信息。     

三维初始地应力场反分析的变差函数法

 在大型地下洞室的建设中,高地应力已然成为洞室开挖后影响围岩稳定的关键因素。为保证围岩稳定和评价支护设计的效果,需要对初始地应力场进行反分析。通过对初始地应力场分布规律和计算方法的研究,认识到初始地应力场分布受空间位置和边界条件影响规律与变差函数的区域化变量理论高度契合,由此提出一种基于变差函数概率统计理论的初始地应力场反分析方法。该方法从空间距离和埋深2个基本因子出发,研究区域化变量的合理表达,并运用最小二乘法原理拟合出适合地下工程初始地应力场反分析的球状模型参数。运用球状模型函数对有限的实测点插值,获得工程设计所需的初始地应力场数据,并能反映地形地貌的影响。进一步采用增量变塑性刚度理论模拟地下厂房开挖过程,求得的围岩变形及塑性破坏区分布与监测规律相符。     

位移反分析的进化支持向量机研究

将支持向量机与遗传算法相结合，提出了一种用于位移反分析的进化支持向量机方法。这种方法基于试验设计和有限元计算获得学习样本和检验样本，用遗传算法搜索最优的支持向量机参数，用获得的最优模型进行学习，从而获得岩体的力学参数与位移之间的非线性映射关系，再用遗传算法从全局空间上搜索，进行岩体力学参数的识别。给出的两个算例结果是令人满意的。     

抗滑桩加固边坡的稳定可靠度分析

经常需要在试验资料不充分的条件下进行边坡工程设计,故如何从搜集到的各方面信息中统计得到工程设计所需参数具有重要的理论和工程意义。某边坡工程以实测两断层实验数据为基础,参照类似工程的实测资料分析结果,利用岩石分类确定断层的内摩擦角,利用反演分析和考虑残差的最小二乘拟合的方法确定断层的黏聚力;抗滑桩是横向受力体系,考虑抗滑桩4种失效模式的相关性,利用反分析的方法确定出抗滑桩的抗力统计参数;根据规范推荐的传递系数法确定出边坡滑动的功能函数,利用离散化降维解法求得边坡稳定的可靠度指标。分析结果表明:利用反演方法修正参数,减少了认识的不确定性,能够提高边坡工程设计的可靠性,在统计数据不足的情况下按可靠度进行边坡工程设计是一种可行方法;同时表明锚索抗滑桩加固边坡的效果是显著的。     

盐岩分数阶三元件本构模型研究

 借助盐岩流变–超声波试验,得出损伤变量随加载时间的函数关系式,并在经典三元件模型的基础上,通过引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建基于损伤演化的盐岩分数阶三元件模型,该本构模型具有元件简明、参数较少等优点。基于盐岩单轴流变试验数据,采用最小二乘法拟合获得该本构模型中的参数。由拟合曲线可知,分数阶三元件模型能够很好地描述盐岩流变的3个阶段,且精度较高,克服经典三元件模型不能表征加速流变阶段的缺点,且验证经典三元件模型为分数阶三元件模型的一种特殊形式。